DE3876701T2

DE3876701T2 - Elektromagnetische fliess-kontrolleinrichtung fuer fluessiges metall in verbindung mit einem pumpvorgang.

Info

Publication number: DE3876701T2
Application number: DE8888110472T
Authority: DE
Inventors: Vecchio Robert Michael Del; Robert Michael Slepian
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1987-07-06
Filing date: 1988-06-30
Publication date: 1993-04-22
Anticipated expiration: 2008-07-01
Also published as: JPS6427755A; DE3876701D1; EP0298373A2; US4842170A; EP0298373B1; EP0298373A3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Steuerung einer Flüssigmetallströmung durch eine elektromagnetische Strömungssteuereinrichtung, die auch eine Pumpwirkung erzeugt, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Steuerung einer Flüssigmetallströmung durch elektromagnetische Mittel findet möglicherweise viele wichtige industrielle Anwendungen. Eine solche liegt auf dem Gebiet des vertikalen kontinuierlichen Gießens von Stahl. Fig. 1 zeigt schematisch eine vertikale kontinuierliche Gießstrecke, die allgemein mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Die kontinuierliche Gießstrecke 10 weist eine Gießpfanne 12, eine Zwischenpfanne 14, eine Gießform 16, eine Sprühzone 18 und einen Geraderichter 20 in Reihenanordnung auf. Heißes geschmolzenes Metall M strömt aus der Gießpfanne 12 durch ein Gießrohr 22 in die Zwischenpfanne 14. Die Zwischenpfanne 14 wiederum führt das darin befindliche geschmolzene Metall M in Form eines freien Stroms in das obere Einlaßende 24 der Gießform 16 zu. In der Gießform 16 bildet sich eine zusammenhängende feste Hülle aus Metall S um einen flüssigen Kern und wird von deren unterem Auslaßende 26 abgezogen. Die kontinuierliche Hülle bzw. der Strang S wird dann durch die Sprüzone 18 hindurchgeführt, wo er fortschreitend abgekühlt wird, um auch den flüssigen Kern zu verfestigen, und danach wird der Strang zwischen Rollen 28 des Geraderichters 20 hindurchgeführt.
Beispielsweise im Falle von flüssigen Stahllegierungen besteht eine Notwendigkeit zur Steuerung der Strömung des flüssigen Metalls M in die Gießform 16, um ein gleichförmiges Produkt zu erzeugen. Wie in Fig. 2 schematisch dargestellt ist, besteht ein Vorschlag darin, ein elektromagnetisches Strömungssteuerventil 30 zwischen der Zwischenpfanne 14 und der Gießform 16, vorzugsweise an einem Auslaßstutzen 32 der Zwischenpfanne 14 anzuordnen. Das Ventil 30 ist an dieser Stelle erforderlich, weil der Flüssigstahlpegel in der Zwischenpfanne 14 schwankt, was Schwankungen der Druckhöhe verursacht, welche die Strömung treibt. Außerdem können Temperaturschwankungen in der Schmelze die Qualität des Gießprodukts ungünstig beeinflussen, wenn sie nicht durch Veränderung der Strömung kompensiert werden. Da in diesem Bereich wenig Raum verfügbar ist, muß das Ventil 30 kompakt sein. Es muß auch den auftretenden hohen Temperaturen (etwa 1500ºC bei flüssigem Stahl) und auch einem möglichen Erstarren und Wiederschmelzen des flüssigen Metalls innerhalb des Ventils standhalten. Da es keine beweglichen Teile enthält und keine Anschlußteile mit engen Toleranzen erfordert, erscheint das elektromagnetische Ventil 30 für diese Anwendung sehr vielversprechend.
Das elektromagnetische Strömungssteuerventil 30, das in den Fig. 2 bis 4 in schematischer Form dargestellt ist, weist eine einzige Wechselstromspule 34 auf, die angrenzend an den Auslaßstutzen 32 der Zwischenpfanne 14 angeordnet ist, der von deren Boden 36 vorspringt. Mehrere Versionen einer Anordnung von elektromagnetischem Ventil und Stutzen zum Steuern von flüssigen Metallströmungsgeschwindigkeiten oder -durchsätzen sind in dem CH-Patent 576 302, auf welchem der Oberbegriff des Anspruchs 1 basiert, bzw. in US-Patenten für Garnier et al (4 082 207 und 4 324 266) sowie auch in einem Artikel mit dem Titel "Electromagnetic Devices For Molten Metal Confinement" von M. Garnier (herausgegeben von H. Branover, P.S. Lykoudes, und A. Yakhot, Band 24, Progess In Astronautics and Aeronautics, Inc., NY (1983), S. 433 - 441) beschrieben.
In den Fig. 4 und 5 sind die elektromagnetischen Feldgrößen angegeben, welche seine Funktion bestimmen. Die elektromagnetische Kraftdichte ist gegeben durch (in MKS Einheiten)
= x (1)
innerhalb des Ventils 30 ist das magnetische Feld vorwiegend axial ausgerichtet und die Wirbelströme sind azimuthal gerichtet. (Die Wirbelströme sind jeweils durch die Kreispaare mit darin befindlichem "." und "x" dargestellt.)
Deshalb ist nach Gleichung (1), welche die rechte-Hand-Regel ausdrückt, radial einwärts gerichtet. Dies resultiert in einem wirksamen Druck, der die durch den Stutzen 32 fließende Flüssigmetallsäule C zusammendrückt. Bei der oberen Frequenzgrenze ist dieser magnetische Druck Pm gegeben durch (MKS- Einheiten)
Pm = B&sub0;²/4uo (2)
wobei B&sub0; die Spitzenamplitude des (sinusförmig schwankenden) magnetischen Feldes innerhalb der Spule 34 an der Flüssigmetalloberfläche und M&sub0; die Permeabilität von Vakuum (flüssige Metalle sind nicht-ferromagnetisch) ist. Bei niedrigeren Frequenzen ist dieser magnetische Druck im allgemeinen kleiner als der Wert nach Gleichung (2).
Eine ungefähre Analyse der Ventilfunktion kann unter Anwendung der Bernoullischen Gleichung
Pm + pgz + 1/2pv² = pgH (3)
gemacht werden, wobei Pm hauptsächlich innerhalb des Ventils 30 nicht Null ist und wobei p = die Flüssigmetalldichte, g = die Erdbeschleunigung, v = die Flüssigmetallgeschwindigkeit in der Höhenposition z relativ zum Ventilauslaß, und H = die Gesamtflüssigmetallhöhe, gemessen vom Ventilauslaß aus. Deshalb erhält man am Ventilauslaß, z = 0, und bei Auflösung von (3) nach v
ohne den magnetischen Druck Pm wäre die Austrittsgeschwindigkeit, bezeichnet als v&sub0;, gegeben durch
Deswegen beträgt das Geschwindigkeitsverhältnis
und dies ist auch das Strömungsverhältnis mit und ohne ein magnetisches Feld, da der Austrittsquerschnitt der gleiche ist. Die Strömung kann also beim Vorhandensein eines magnetischen Felds (Pm> 0) gemäß Gleichung 6 verringert werden.
Beim Verlassen des magnetischen Feldbereichs unterhalb der Spule 34 wird Pm Null und die Geschwindigkeit muß zunehmen. Da die Strömungsgeschwindigkeit nun durch den Wert am Ventilaustritt fest vorgegeben ist, muß sich die Flüssigkeitssäule C einschnüren, wie in Fig. 2 unterhalb des Ventils 30 gezeigt ist. Die obengenannten Patente und Veröffentlichungen zeigen und beschreiben die Verwendung eines Metallgitters zur Erzielung einer scharfen Grenze zwischen dem magnetischen Feldbereich und dem feldfreien Bereich unterhalb des Düsenaustritts.
Jedoch kann eine elektromagnetische Strömungssteuerventilund Auslaßstutzenanordnung, wie oben beschrieben, eine Flüssigmetallströmung durch den Auslaßstutzen nur durch radial einwärts erfolgendes Zusammendrücken bzw. Einschnüren erfolgen. Da keine axial gerichtete Nettokraft irgendeiner Signifikanz durch die oben beschriebene Ventilanordnung erzeugt werden kann, kann die Anordnung nicht als Pumpe entweder mit aufwärts oder abwärts verlaufender Förderrichtung arbeiten, um der Flüssigmetallströmung entgegenzuwirken oder sie zu unterstützen, und kann die Metallströmung auch nicht beendigen. Demzufolge ist es eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine andere Konstruktion zu schaffen, die aüßerdem eine Pumpwirkung erzeugt.
Die vorliegende Erfindung besteht in einer elektromagnetischen Flüssigmetall-Strömungssteuereinrichtung wie in Anspruch 1 angegeben, die für eine Befriedigung der obengenannten Bedürfnisse ausgelegt ist. Die Einrichtung der vorliegenden Erfindung steuert, wie auch das Steuerventil nach dem Stand der Technik, die Strömung des flüssigen Metalls durch einen Auslaßstutzen durch Verwendung einer elektromagnetischen Spule. Jedoch, im Gegensatz zu dem Ventil nach dem Stand der Technik, weist die Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung Kanäle bzw. Schaufeln zum Blockieren von Wirbelströmen in einem Teil des Auslaßstutzens auf und formt dadurch das magnetische Feld so, daß eine axial gerichtete Kraft erzeugt wird, welche der Flüssigmetallströmung entgegengerichtet ist. Zusätzlich wird die Flüssigmetallströmung durch einen Ringraum in den keine Schaufeln enthaltenden Bereichen des Auslaßstutzens geleitet, was die Funktion der Einrichtung verstärkt. Die Einrichtung arbeitet als Pumpe und die Pumpwirkung ist entweder im Sinne eines Entgegenwirkens oder im Sinne eines Unterstützens der Flüssigmetallströmung anpaßbar. Bei der Anwendung als Ventil wirkt sie der Flüssigmetallströmung entgegen.
Mehr im einzelnen wird die Pumpwirkung der axial gerichteten Kraft des magnetischen Felds in nur einer von zwei entgegengesetzten Axialrichtungen erzeugt, so daß entweder die Strömung des flüssigen Metalls durch die Ausmündung behindert oder unterstützt wird. Die jeweilige Richtung, in welcher die axial gerichtete Kraft des magnetischen Felds erzeugt wird, hängt von dem Teil der Spule ab, entlang dessen die Konstruktion angeordnet ist, und von der Lage, des nicht belegten Wirbelstrombereichsteils der Ausmündung in Bezug auf jenen Teil der Spule. Deutlicher gesagt, die nichtleitende Konstruktion ist so bemessen, daß sie sich über die Auslaßstutzenausmündung erstreckt und einen axialen Teil hiervon einnimmt, der entlang etwa einer Hälfte der Ausdehnung der Spule von einem Mittelpunkt zu einem der entgegengesetzten Enden der Spule verläuft.
Die nichtleitende Konstruktion kann irgendeine von mehreren alternativen Ausführungsformen haben. Bei einer ersten und bevorzugten Ausführungsform hat die Konstruktion eine mittige Säule, die einen mittigen Teil der wirbelstromfreien Bereiche der Konstruktion bildet, und eine Mehrzahl von mit gegenseitigen Umfangsabständen angeordneten und radial von der Säule wegragenden Schaufeln, die eine Mehrzahl von peripheren Teilen der Konstruktion in dem wirbelstromfreien Bereich bilden. Das flüssige Metall strömt durch die freien Räume in der Ausmündung, die peripher um die mittige Säule und zwischen den mit Abständen angeordneten Schaufeln gelegen sind.
Bei einer alternativen zweiten Ausführungsform kann der wirbelstromfreie Bereich wie oben beschrieben gestaltet sein, aber der Wirbelstrombereich enthält keine mittige Säule, so daß ein zylindrischer Strömungskanal für das flüssige Metall in diesem Bereich vorhanden ist. Der wirbelstromfreie Bereich kann einfach aus gekreuzten Schaufeln ohne mittige Säule oder aus einem zylindrischen Stopfen aufgebaut sein, durch welchen Löcher gebohrt sind, um das flüssige Metall hindurchströmen zu lassen.
Bei einer anderen alternativen dritten Ausführungsform weist die Konstruktion einen Ringkörper auf, der so bemessen ist, daß er um die Peripherie des axialen Teils der Auslaßstutzenausmündung herum verläuft. Der Ringkörper weist eine Mehrzahl von mit gegenseitigen Umfangsabständen angeordneten Rippen auf, die damit verbunden sind und davon einwärts ragen, um so einen mehrsegmentförmigen Raum durch die Konstruktion zu bilden. Der Ringkörper und die Rippen bilden die wirbelstromfreien Bereiche der Konstruktion, wohingegen der mehrsegmentförmige Raum durch die Konstruktion die Wirbelstrombereiche bilden.
Diese und andere Vorteile und Ergebnisse der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann aus dem Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen deutlich, in welchen zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer vertikalen kontinuierlichen Gießstrecke nach dem Stand der Technik,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines elektromagnetischen Strömungssteuerventils nach dem Stand der Technik, das im Anschluß an den Boden einer Zwischenpfanne der kontinuierlichen Gießstrecke nach Fig. 1 angeordnet ist,
Fig. 3 eine Untersicht gemäß der Linie 3-3 in Fig. 2,
Fig. 4 einen vergrößerten Axialschnitt des elektromagnetischen Strömungssteuerventils nach Fig. 2, wobei die jeweiligen Richtung des magnetischen Felds und der Wirbelströme dargestellt sind,
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer durch den Auslaßstutzen strömenden Flüssigmetallsäule nach dem Stand der Technik und die relativen Vektorrichtungen, die das magnetische Feld, die Wirbelströme und die resultierende Kraft auf die Säule darstellen,
Fig. 6 einen Axialschnitt durch die elektromagnetische Strömungssteuereinrichtung nach der vorliegenden Erfindung gemäß der Linie 6-6 in Fig. 7, die eine erste Ausführungsform einer nichtleitenden Konstruktion zeigt, die als Mittel zum teilweisen Blockieren von Wirbelströmen in der durch den Auslaßstutzen strömenden Flüssigmetallsäule dient,
Fig. 7 eine Draufsicht der elektromagnetischen Strömungssteuereinrichtung nach Fig. 6,
Fig. 8 eine vergrößerte Seitenansicht der ersten Ausführungsform der wirbelstromblockierenden nichtleitenden Konstruktion nach Fig. 6,
Fig. 9 eine Draufsicht der ersten Ausführungsform der nichtleitenden Konstruktion gemäß der Linie 9-9 in Fig. 8,
Fig. 10 eine Seitenansicht einer alternativen zweiten Ausführungsform einer wirbelstromblockierenden nichtleitenden Konstruktion, die in der elektromagnetischen Strömungssteuereinrichtung nach der vorliegenden Erfindung Anwendung finden kann,
Fig. 11 eine Draufsicht der zweiten Ausführungsform der nichtleitenden Konstruktion gemäß der Linie 11-11 in Fig. 10,
Fig. 12 eine Seitenansicht einer alternativen dritten Ausführungsform einer wirbelstromblockierenden nichtleitenden Konstruktion, die in der elektromagnetischen Strömungssteuereinrichtung nach der vorliegenden Erfindung Anwendung finden kann,
Fig. 13 eine Draufsicht der dritten Ausführungsform der nichtleitenden Konstruktion gemäß der Linie 13-13 in Fig. 12,
Fig. 14 einen Axialschnitt ähnlich demjenigen nach Fig. 6, der nun jedoch die Richtung des magnetischen Felds und das Fehlen von Wirbelströmen infolge des Vorhandenseins der ersten Ausführungsform der wirbelstromblockierenden nichtleitenden Konstruktion im Auslaßstutzen zeigt,
Fig. 15 eine schematische Darstellung der durch den Auslaßstutzen, der ebenfalls die erste Ausführungsform der wirbelstromblockierenden nicht leitenden Konstruktion enthält, strömenden Flüssigmetallsäule, wobei die relativen Richtungen der Vektoren dargestellt sind, die das magnetische Feld, Wirbelströme und die resultierende Kraft auf die Säule darstellen,
Fig. 16 eine Darstellung der Flußlinien, welche durch eine elektromagnetische Strömungssteuereinrichtung mit Schaufeln ähnlich der ersten Ausführungsform nach den Fig. 6 bis 9, jedoch ohne die mittige zylindrische Säule der wirbelstromblockierenden Konstruktion erzeugt würden, dabei handelt es sich um die zweite Ausführungsform,
Fig. 17 eine Darstellung der Wirbelstromkonturlinien für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 16,
Fig. 18 eine Darstellung der Dimensionen einer elektromagnetischen Strömungssteuereinrichtung und einer Flüssigmetallsäule ähnlich derjenigen, welche die Flußlinien und die Wirbelstromkonturlinien nach den Fig. 16 und 17 erzeugen, wobei diese Dimensionen für numerische Berechnungen in einer Studie verwendet werden, deren Ergebnisse in Tafel 1 zusammengefaßt sind.
In der folgenden Beschreibung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile in sämtlichen der verschiedenen Darstellungen. Außerdem sind in der folgenden Beschreibung Begriffe wie "vorwärts", "rückwärts", "links", "rechts", "aufwärts", "abwärts" und dgl. als zwecksmäßigkeitshalber gewählte Begriffe und nicht in einschränkendem Sinne zu verstehen.
Um nun auf die Zeichnungen Bezug zu nehmen, und insbesondere auf die Fig. 6 bis 9, dort ist eine erste und bevorzugte Ausführungsform einer elektromagnetischen Strömungssteuereinrichtung für flüssige Metalle gezeigt, die generell durch die Bezugsziffer 40 bezeichnet ist und die gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Die elektromagnetische Strömungssteuereinrichtung 40 ist einem Auslaßstutzen 42 zugeordnet, der Teil des Bodens einer flüssiges Metall enthaltenden Zwischenpfanne oder einer sonstigen Quelle von flüssigem Metall sein oder davon wegragen kann. Der Stutzen 42 ist aus elektrisch nichtleitendem Material hergestellt und bildet eine zylindrische Ausmündung 44 für das Ausströmen von flüssigem Metall aus der Zwischenpfanne. Die elektromagnetische Strömungssteuereinrichtung 40 ist im Sinne einer Steuerung der Strömung des flüssigen Metalls durch die Stutzenauslaßöffnung 44 betätigbar, und zwar unter Aufprägung einer elektromagnetischen Pumpwirkung auf das flüssige Metall.
An Grundkomponenten weist die Strömungssteuereinrichtung 40 eine elektromagnetische Hochfrequenz-Wechselstromspule 46, die angrenzend an den Stutzen 42 angeordnet ist und die Ausmündungsöffnung 44 mit Radialabstand umschließt, und eine wirbelstromblockierende nichtleitende Konstruktion 48 auf, die innerhalb der Stutzenausmündungsöffnung 44 angeordnet ist. Beim Fehlen der Konstruktion 48 ist die Spule 46 im Sinne der Erzeugung eines magnetischen Felds betätigbar, das axial gerichtet ist, und Wirbelströme sind azimuthal innerhalb der Ausmündungsöffnung 44 des Stutzens 42 und des hindurchfließenden flüssigen Metalls C gerichtet. Die nichtleitende Konstruktion 48 ist so bemessen, daß sie sich durch die Stutzenausmündungsöffnung 44 erstreckt und einen axialen Teil desselben einnimmt, der sich über etwa eine Hälfte der Ausdehnung der Spule 46 von deren Mittelpunkt 50 zum unteren ihrer beiden entgegengesetzten oberen und unteren Enden 52, 54 erstreckt.
Mehr im einzelnen weist bei der bevorzugten und ersten Ausführungsform , die in den Fig. 6 bis 9 und 14 dargestellt ist, die Konstruktion 48 eine mittige zylindrische Säule 56 und eine Mehrzahl von mit gegenseitigen Umfangsabständen angeordneten, radial von der Säule 56 nach außen ragenden Schaufeln 58 auf. Es ist zu sehen, daß die Säule 56 sich oberhalb der Schaufeln 58 fast bis zur Höhe des oberen Endes 52 der Spule 46 erstreckt. Ein oberer ringförmiger Teil 59 der Ausmündungsöffnung 44 bleibt von der Konstruktion 48 frei. Alternativ dazu könnte das obere Ende der Säule 56 bündig mit dem oberen Ende der Schaufeln 58 abgeschnitten sein. In diesem Fall wäre die obere Hälfte der Ausmündung 44 überhaupt nicht von der Konstruktion 48 eingenommen. Die Säule 56 und die Schaufeln 58 füllen mittige und periphere Teile der unteren Hälfte der Ausmündung 44 aus und bilden darin so wirbelstromfreie Bereiche, die durch die Konstruktion 48 definiert sind. Andererseits bilden die nicht eingenommenen Räume 60 in der Ausmündung 44 peripher um die mittlere Säule 56 herum und abwechselnd zwischen den Schaufeln gelegenen Räume Metallströmungsbereiche, die durch die Konstruktion 48 definiert sind.
Wie in den Fig. 6, 7, 14 und 15 abgebildet ist, liegen die durch die Säule 56 und die Schaufeln 58 der Konstruktion 48 definierten wirbelstromfreien Bereiche in der Ausmündung 44 neben und abwechselnd mit Bezug auf die Metallströmungsbereiche bzw. nicht eingenommenen Bereiche 60, so daß die Erzeugung von Wirbelströmen durch das magnetische Feld im flüssigen Metall, während dieses zwischen den Schaufeln 58 hindurchströmt, im wesentlichen blockiert wird. Jedoch ist kein Teil der Konstruktion 48 so positioniert, daß die Erzeugung von Wirbelströmen in dem nicht eingenommenen Ringabschnitt 59 der Ausmündung 44 oberhalb der Schaufeln 58 blockiert wird. Das magnetische Feld durchdringt daher den eingenommenen bzw. unteren Teil der Ausmündung 44 fast so wie wenn dort Luft wäre, wird aber im gleichen Maße wegen der Anwesenheit von Wirbelströmen aus dem nicht eingenommenen bzw. oberen Bereich der Ausmündung 44 ferngehalten.
Eine solche abrupte Änderung vom Vorhandensein zum Fehlen von Wirbelströmen im Übergangsbereich 61 zwischen diesen Teilen der Ausmündung 44, die von der nichtleitenden Konstruktion 48 nicht eingenommen bzw. eingenommen sind, bewirkt eine Umformung des magnetischen Felds innerhalb der Ausmündung in diesem Übergangsbereich. Insbesondere ist das magnetische Feld am Übergangsbereich 61 auswärts ausgebaucht, bevor es sich in etwa axialer Richtung fortsetzt, was eine radial gerichtete Komponente r einführt und eine im wesentlichen axial gerichtete elektromagnetische Pumpkraft erzeugt, wie in Fig. 15 dargestellt ist. Weil hier im Bereich des Übergangs die Wirbelströme am größten sind, ist die resultierende Axialkraft ebenfalls groß. Darüberhinaus wird diese Axialkraft wegen der Asymmetrie nicht durch irgendeine gleiche und entgegengerichtete Kraft irgendwo sonst aufgehoben.
In Abhängigkeit davon, ob die Konstruktion 48 im oberen Teil der Ausmündung 44 neben der oberen Hälfte der Spule 46 oder im unteren Teil der Ausmündung 44 neben der unteren Hälfte der Spule 46 angeordnet ist, wie in den Fig. 6, 14 und 15 sichtbar ist, ist die Netto-Pumpkraft entsprechend in Abwärtsrichtung zur Unterstützung der Strömung oder in Aufwärtsrichtung zur Behinderung der Strömung gerichtet. Im ersteren Fall wirkt die Einrichtung 40 als Pumpe, während sie im letzteren Fall als Ventil wirkt. Da die Netto-Pumpkraft in der einen oder der anderen Richtung weist, aber nicht in beide Richtungen, wird die Strömung, in Abhängigkeit von der axialen Position der Konstruktion 48, durch die Pumpwirkung entweder behindert oder unterstützt. Am Rande sollte erwähnt werden, daß das magnetische Feld nahe den Enden der Spule 34 bei dem bekannten Ventil 30 nach Fig. 4 eine gewisse schwache Radialkomponente hat. Dies rührt daher, daß die Wirbelströme zu den Enden der Spule 34 hin in ihrer Größe im Vergleich zu ihrem Wert nahe der Mitte verringert sind. Jedoch ist die am oberen Ende des Ventils 30 erzeugte Axialkraft gleich und entgegengesetzt derjenigen, die am unteren Ende erzeugt wird, was darin resultiert, daß keine Netto-Axialkraft in dem bekannten Ventil erzeugt wird.
In den Fig. 10 und 11 ist eine alternative oder zweite Ausführungsform einer wirbelstromblockierenden nichtleitenden Konstruktion 62 dargestellt, die in der Strömungssteuereinrichtung 40 nach der vorliegenden Erfindung anstelle der ersten Konstruktion 48 verwendet werden kann, obwohl die letztere die effizientere Version von den beiden ist. Die Konstruktion 62 hat die Form eines zylindrischen Stopfens mit solcher Abmessung, daß er dem unteren (oder oberen) axialen Teil der Stutzenöffnung 44 einnimmt. Die Konstruktion 62 weist Teile 64 auf, die eine Mehrzahl von mit Querabständen auseinanderliegenden Bohrungen 66 bilden, die axial durch die Konstruktion hindurchverlaufen. Die Bohrungen 66 in der Konstruktion 62 bilden deren Flüssigmetallströmungsbereiche, während die die Bohrungen 66 bildenden Teile 64 die flüssigmetallfreien Bereiche bilden.
In den Fig. 12 und 13 ist eine weitere Alternative bzw. dritte Ausführungsform einer wirbelstromblockierenden nichtleitenden Konstruktion 68 gezeigt, die in der Strömungssteuereinrichtung 40 nach der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Die dritte Konstruktion 68 weist einen Ringkörper 70 auf, der so bemessen ist, daß er um die Peripherie des axialen Teils der Stutzenöffnung 44 herum verläuft. Der Ringkörper 70 weist eine Mehrzahl von mit Umfangsabständen angeordneten Rippen 72 auf, die damit verbunden sind und von ihm aus radial einwärts verlaufen und so einen mehrsegmentförmigen Raum 74 durch die Konstruktion 68 bilden. Der Ringkörper 70 und die Rippen 72 bilden die flüssigmetallfreien Bereiche der Konstruktion 68, während der mehrsegmentförmige Raum 74 die Strömungsbereiche darstellt.
Die alternativen wirbelstromblockierenden nichtleitenden Konstruktionen 48, 62 und 68 können alle aus dem gleichen Material wie der Stutzen 42 bestehen und können tatsächlich entweder als eine Einheit durch Herausarbeiten aus einem einzigen massiven Materialblock oder durch diesen als gemeinsamer Gußkörper hergestellt sein. Das Material kann Keramik oder Kunststoff sein. Sie können außerdem getrennt aus den gleichen oder ungleichen Materialien hergestellt und zusammengesetzt werden, je nach Anwendungsfall.
Es sollte auch erwähnt werden, daß bei der ersten Konstruktion 48 die Strömung im wesentlichen ringförmigen Querschnitt hat, während bei der zweiten und der dritten Konstruktion 62 bzw. 68 die Strömung einen im wesentlichen vollen Querschnitt hat. Bei Verwendung der Konstruktion der Einrichtung 40 zum Erhalt des gleichen Durchflusses wie beim Stand der Technik würde man die Öffnung mit größerem Durchmesser als zuvor ausbilden.
Numerische Berechnungen für die hier vorgestellte Strömungsteuereinrichtung 40 wurden unter Verwendung eines elektromagnetischen Finite-Elemente-Codes WEMAP durchgeführt, der in einer Publikation mit dem Titel WEMAP: A General Purpose System for Electromagnetic Analysis and Design" von M. L. Barton u.a., IEEE Trans. on Magnetics, Vol. MAG-19 (1983), beschrieben ist.
Fig. 16 zeigt eine Darstellung der Flußlinien, die durch eine elektromagnetische Strömungssteuereinrichtung mit Schaufeln ähnlich der zweiten Ausführungsform der Einrichtung nach den Fig. 10 und 11 erzeugt würden. Die Flußdarstellung wurde mittels WEMAP für einen Gesamtspulenstrom 10.000 Amperewindungen bei 20kHz unter Verwendung der folgenden Eigenschaften von flüssigem Stahl erstellt: Leitfähigkeit = 0,71 x 10&sup6; (X-m)&supmin;¹, und relative Permeabilität ur = 1,0. Beachte die ausgeprägte Radialrichtung des magnetischen Felds an der Trennlinie zwischen Schaufelbereich und schaufelfreiem Bereich des flüssigen Stahls.
Fig. 17 ist eine Darstellung der Wirbelstromkonturlinien für das Beispiel nach Fig. 16. Beachte, wie stark sie an der Übergangsbereichstrennlinie zwischen Schaufelbereich und schaufelfreiem Bereich konzentriert sind, wo die radiale Feldkomponente ebenfalls groß ist.
Fig. 18 zeigt eine Darstellung der Abmessungen einer elektromagnetischen Strömungssteuereinrichtung und einer Flüssigmetallsäule ähnlich derjenigen, welche die Flußlinien und Wirbelstromkonturlinien nach den Fig. 16 und 17 erzeugen; die Abmessungen werden für numerische Berechnungen in einer Studie verwendet, deren Ergebnisse in Tafel 1 zusammengefaßt sind. Tafel 1 WEMAP-Ergebnisse für die Geometrie nach Fig. 18 (ISpule = 10 kA) Fall Schaufeln * Axialdruck Verlust *Axialdruck (Pa) in flüssigem Stahl
In der Tafel beziehen sich die Fälle 1 und 8 auf eine Stutzenöffnung ohne Schaufeln in deren unterem Ringbereich. Beachte, wieviel kleiner die Axialdrücke im Vergleich zu den Fällen mit Schaufeln sind. Die Axialdrücke für die Fälle 1 und 8 wurden nur für die obere Hälfte der ringförmigen Säule berechnet, da der Nettodruck für die oberen und unteren Hälften Null ist. Die Axialdrücke sind definiert als die Nettoaxialkraft, geteilt durch die Querschnittsfläche des flüssigen Stahls. Dies ist wirklich ein Pumpdruck. Der Verlust im flüssigen Stahl wird durch Wirbelströme hervorgerufen. Die Größe kW/Pa ist ein Maß für den Ventilwirkungsgrad.
Außerdem kann in der Tafel die Wirkung der Frequenz durch Vergleich der Fälle 2 und 5 und der Fälle 3 und 4 gesehen werden, wo die Frequenz für eine feste Geometrie verdoppelt ist. Der Axialdruck wächst etwa um einen Faktor 1,5. Durch Vergleich der Fälle 2 und 3, der Fälle 4 und 5, und der Fälle 6 und 7 kann gesehen werden, daß der Axialdruck um etwa einen Faktor 1,6 zunimmt, wenn die dem flüssigen Stahl von der Spule trennende Ringdicke halbiert wird. Diese Tafel zeigt also, wie Parameterveränderungen die Pumpwirkung beeinflussen, die als Axialdruck gemessen wird.
Obwohl alle Zahlen in Tafel 1 sich auf eine Spule mit 10.000 Amperewindungen beziehen, können durch Veränderung dieser Zahl die Axialkräfte und Drücke verändert werden und auf diese kann eine Strömungssteuerung erreicht werden. Die Kräfte ändern sich mit dem Quadrat des Stroms in der Spule. Eine andere Methode zur Veränderung der Strömung wäre die Änderung der Frequenz. Wenn die Einrichtung als Pumpe wirkt, kann eine Steuerung von Strom oder Frequenz zur Einstellung der Pumphöhe verwendet werden.

Claims

1. Elektromagnetische Flüssigmetallströmungssteuereinrichtung (40) zur Steuerung der Strömung eines flüssigen Metalls (C) aus einer Flüssigmetallquelle (M) durch eine Öffnung (44) eines Auslaufstutzens (42), der aus elektrisch nichtleitendem Material hergestellt ist, wobei die Einrichtung (40) eine elektromagnetische Spule (46), welche angrenzend an den Stutzen (42) und dessen Öffnung (44) umrundend angeordnet ist, und wobei die Spule (46) im Sinne der Erzeugung eines axial gerichteten magnetischen Felds ( ) und von azimuthal gerichteten Wirbelströmen ( ) innerhalb der Öffnung (44) des Auslaufstutzens und des dadurch hindurchströmenden flüssigen Metalls (C) betreibbar ist,

gekennzeichnet durch eine längs eines Teils der genannten Spule (46) angeordneten nichtleitenden Konstruktion (48), die einen axialen Teil der Auslaufstutzenöffnung (44) einnimmt und einen angrenzenden Teil der Stutzenöffnung (44) freiläßt, und Strömungsbereiche und strömungsfreie Bereiche durch den eingenommenen Teil der Öffnung (44) bildet, wobei die Strömungsfreien Bereiche der Konstruktion (48) relativ zu deren Strömungsbereichen so positioniert sind, daß sie die Erzeugung von Wirbelströmen ( ) im flüssigen Metall (C) beim Hindurchströmen durch die Strömungsbereiche der Konstruktion (48) im wesentlichen blockieren und dadurch das magnetische Feld ( ) innerhalb der Öffnung (44) in einem Übergangsbereich (61) zwischen dem eingenommenen und dem nicht eingenommenen Teil der Öffnung (44) so umformt, daß es eine radial gerichtete Komponente ( r) aufweist, das eine im wesentlichen axial gerichtete Pumpkraft ( ) in dem Auslaufstutzen (42) erzeugt, welche die hindurchtretende Strömung des flüssigen Metalls (C) steuert.

2. Einrichtung (40) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die axial gerichtete Kraft ( ) des magnetischen Felds ( ) nur in einer von zwei entgegengesetzten Axialrichtungen erzeugt wird, so daß die Strömung des flüssigen Metalls (C) durch die Öffnung (44) entweder behindert oder unterstützt wird.

3. Einrichtung (40) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung, in welcher die axial gerichtete Kraft ( ) des magnetisches Felds ( ) erzeugt wird, von demjenigen Teil der Spule (46) abhängt, entlang dessen die genannte Konstruktion (48) positioniert ist, und von der Lage des davon nicht eingenommen Teils der Öffnung (44) mit Bezug auf den genannten Teil der Spule (46).

4. Einrichtung (40) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (46) neben dem Auslaufstutzen (42) und diesen umrundend, jedoch mit radialem Abstand von der Öffnung (44) angeordnet ist.

5. Einrichtung (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (46) entgegengesetzte Enden (52, 54) und einen dazwischenliegenden Mittelpunkt (50) aufweist.

6. Einrichtung (40) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtleitende Konstruktion (48) so bemessen ist, daß sie sich quer durch die Öffnung (44) des Auslaufstutzens erstreckt und einen axialen Teil derselben einnimmt, der sich über etwa eine Hälfte der Ausdehnung der Spule (46) von deren Mittelpunkt (50) zu einem der entgegengesetzten Enden (52, 54) erstreckt.

7. Einrichtung (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Konstruktion (48) eine mittige Säule (56), die einen mittigen Teil der genannten strömungsfreien Bereiche der Konstruktion (48) bildet, und eine Mehrzahl von mit gegenseitigen Umfangsabständen angeordneten Schaufeln (58) aufweist, die von der Säule (56) radial wegragen und eine Mehrzahl peripherer Teile der genannten strömungsfreien Bereiche der Konstruktion (48) bilden, die abwechselnd mit den Strömungsbereichen der Konstruktion (48) durch nicht eingenommene Räume (60) in der Öffnung (44) gebildet sind, die peripher um die mittige Säule (56) herum und zwischen den mit Abstand angeordnet Schaufeln (58) liegen.

8. Einrichtung (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Konstruktion (48) einen Zylindrischen Stopfen (62) aufweist, der so bemessen ist, daß er den genannten axialen Teil der Stutzenöffnung (44) aushüllt, und der Teile (64) aufweist, die eine Mehrzahl von mit gegenseitigen Querabständen angeordnet Bohrungen (66) bildet, die axial durch den Stopfen (62) verlaufen und die genannten Strömungsbereiche der Konstruktion (48) bilden, während die die Bohrungen bildenden Teile des Stopfens (64) die genannten strömungsfreien Bereiche der Konstruktion (48) bilden.

9. Einrichtung (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch kennzeichnet, daß die genannte Konstruktion (48) einen Ringkörper (70) aufweist, der so bemessen ist, daß er sich um die Peripherie des genannten axialen Teils der Stutzenöff nung (44) erstreckt und eine Mehrzahl von mit gegenseitigen Umfangsabständen angeordneten Rippen (72) aufweist, die mit dem Ringkörper (70) verbunden sind und von diesem radial einwärts verlaufen, um einen mehrsegmentförmigen Raum (74) durch die Konstruktion (48) zu bilden, wobei der Ringkörper (70) und die Rippen (72) die Strömungsfreien Bereiche der Konstruktion (48) und der mehrsegmentförmige Raum (74) die Strömungsbereiche der Konstruktion bilden.